Возобновляемые альтернативные источники энергии: Доля возобновляемых источников энергии в производстве электроэнергии | Карта и статистика по регионам

Содержание

Вестник Иркутского государственного технического университета

2018 / Том 22, №11 (142) 2018 [ Энергетика ]

В статье рассматривается возможность использования возобновляемых источников энергии для электроснабжения механического завода. Производится оценка климатических условий местности, а также исследуется возможность установки альтернативных источников энергии на данном заводе. В качестве альтернативных источников предлагается использовать солнечные батареи. Выбирается необходимое оборудование и производится расчет количества солнечных установок и их мощности. Выполняются технико-экономические расчеты, по результатам которых оценивается эффективность установки солнечных источников энергии. Цель — оценить эффективность интеграции альтернативных источников энергии в систему электроснабжения промышленного предприятия. Расчет реальной мощности солнечных панелей производился с учетом таблицы солнечной инсоляции. Исходя из площади крыш зданий, было подсчитано количество солнечных модулей, инверторов и другого оборудования, подключаемого к ним. Для оценки экономической эффективности был рассчитан срок окупаемости установленного оборудования. В результате оценки климатических условий г. Иркутска было выявлено, что данная местность обладает сравнительно высоким потенциалом для развития солнечной энергетики, поэтому в данной работе подробно рассматривается внедрение солнечных модулей в систему электроснабжения промышленного предприятия. Произведен расчет их фактической мощности, которая напрямую зависит от солнечной активности и в среднем составляет 80% от номинальной. Расчет годового количества энергии, получаемой от солнечных панелей, показал, что возобновляемые источники энергии могут составить весомую долю в электроснабжении предприятия. Согласно полученным оценкам, экономическая эффективность их использования в настоящее время довольно низка. Однако учет тенденций снижения стоимости самих солнечных панелей и другого вспомогательного оборудования, а также повышения цен на электроэнергию, делают данные источники электроэнергии эффективными уже в ближайшей перспективе. Проведенное исследование наглядно показывает, что в систему электроснабжения промышленного предприятия вполне реально интегрировать альтернативные источники энергии, которые смогут покрыть значительную часть его электропотребления. При ожидаемом снижении затрат на оборудование и повышении цен на электроэнергию возобновляемые источники станут экономически эффективными.

Ключевые слова:

возобновляемые источники энергии, солнечная энергетика, ветроэнергетика, интеграция, энергетический потенциал, эффективность, системы электроснабжения

Авторы:

  • Подковальников Сергей Викторович
  • Поломошина Марина Анатольевна

Библиографический список:

  1. Баринова В.А., Ланьшина Т.А. Особенности развития возобновляемых источников энергии в России и в мире // Российское предпринимательство. 2016. Т. 17. № 2. С. 259–270.
  2. Марченко О.В., Соломин С.В. Анализ экономической эффективности возобновляемых источников энергии в децентрализованных системах электроснабжения // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». 2009. Т. 73. № 5. С. 78–84.
  3. Иванова И.Ю., Майсюк Е.П., Тугузова Т.Ф. Экологическая оценка использования возобновляемых источников энергии и местных видов топлива для энергоснабжения потребителей прибрежной зоны оз. Байкал: сб. ст. по материалам науч.-практ. конф. с междунар. участием «Экологическая, промышленная и энергетическая безопасность» (Севастополь, 11–15 сентября 2017 г.). / Ред. Ю.А. Омельчук, Н.В. Лямина, Г.В. Кучерик. Севастополь: Изд-во Севастопольского государственного университета, 2017. С. 535–537.
  4. Копель Л.В. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Иркутская область и западная часть Бурятской АССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1991 г. 605 с.
  5. Батуев А.Р., Богоявленский Б.А. Атлас. Иркутская область: экологические условия развития. М: Иркутск, 2004 г.
  6. Сетевые инверторы [Электронный ресурс]. URL: http://net220.ru/katalog_produkcii/invertory_i_ibp1/setevye_invertory/ (04.09.2018).
  7. Особенности работы трехфазных фотоэлектрических сетевых инверторов [Электронный ресурс]. URL: http://www.solarhome.ru/solar/pv/3-1-phase-grid-tie-inverter.htm (04.09.2018)
  8. Солнечная батарея Sila solar [Электронный ресурс]. URL: https://e-solarpower.ru/solar/solar-panels/poli-panel/solnechnaya-panel-sila-250vt/ (04.09.2018)
  9. Ориентация солнечных панелей [Электронный ресурс]. URL: http://uekvarma.ru/article/orientatsiya-solnechnyih-paneley (04.09.2018)
  10. Расчет средней производительности солнечной батареи [Электронный ресурс]. URL: http://solarsoul.net/raschet-solnechnoj-batarei (04.09.2018)
  11. Рокотян С.С. Справочник по проектированию электроэнергетических систем. М.: Энергоатомиздат, 1985 г. 352 c.
  12. SOFAR 11KTL трехфазный фотоэлектрический инвертор [Электронный ресурс]. URL: http://shop.solarhome.ru/sofar-11ktl-3-faznij-fotojelektricheskij-invertor.html (04.09.2018)
  13. Подбор модулей для сетевых инверторов [Электронный ресурс]. URL:http://www.solarhome.ru/equipment/inverter/podbor-modulej-dlya-setevyh-invertorov.htm (04.09.2018)
  14. HELUKABEL Solarflex PV1-F NTS Кабель для солнечных батарей [Электронный ресурс] URL: http://стройторг.com/products/helukabel-solarflex-pv1 (04.09.2018)
  15. Установка солнечных батарей [Электронный ресурс]. URL: http://solar-batarei.ru/ustanovka-solnechnih-batarei-cena.html (04.09.2018)
  16. Предельные нерегулируемые цены на розничном рынке [Электронный ресурс]. URL: https://sbyt.irkutskenergo.ru/qa/2103.html (04.09.2018)
  17. Велькин В.И., Завьялов А.С., Стариков Е.В. Расчет автономной фотоэлектрической системы электроснабжения для резервирования собственных нужд АЭС, Екатеринбург: УРФУ, 2014. 25 с.
  18. Цены на солнечные батареи [Электронный ресурс]. URL: https://aftershock.news/?q=node/642261&full (04.09.2018)
  19. Цена на солнечную энергию [Электронный ресурс]. URL: https://hightech.fm/2017/06/28/solar-price (04.09.2018)

Файлы:

Возобновляемые источники энергии в условиях новой промышленной революции: мировой и отечественный опыт | Бекулова

1. Альтернативная энергетика как фактор модернизации российской экономики: тенденции и перспективы. Сборник научных трудов. Порфирьев Б. Н., ред. М.: Научный консультант; 2016. 212 с.

2. Бобылев С. Н., Захаров В. М. «Зеленая» экономика и модернизация. Эколого-экономические основы устойчивого развития. На пути к устойчивому развитию России. 2012;(60):4–83.

3. Порфирьев Б. Н. Альтернативная энергетика как фактор снижения рисков и модернизации экономики. Проблемы теории и практики управления. 2013;(5):8–22.

4. Шваб К. Технологии Четвертой промышленной революции. Пер. с англ. М.: Эксмо; 2018. 320 с.

5. Глазьев C. Рывок в будущее: Россия в новых технологическом и мирохозяйственном укладах. М.: Книжный мир; 2018. 765 с.

6. Капица П. Л. Доклад «Энергия и физика» на научной сессии, посвященной 250-летию Академии наук СССР. Москва, 8 октября 1975 г. Вестник АН СССР. 1976;(1):34–43.

7. Сидорович В. Мировая энергетическая революция: как возобновляемые источники энергии изменят наш мир. М.: Альпина Паблишер; 2015. 208 с.

8. Чубайс А. Б. Доклад «Возобновляемая энергетика в России: из прошлого в будущее» на Международном форуме «Российская энергетическая неделя», Москва, 05 октября 2018 г. URL: http://www.rusnano.com/about/press-centre/first-person/274650.

9. Копылов А. Е. Экономика ВИЭ. Изд. 2-е, перераб. и дополн. М.: Издательские решения; 2017. 576 с.

10. Ульянов Н. Накопи и сохрани. Эксперт. 2017;41(1047):44–51.


​Возобновляемые источники энергии: тренды 2021 года

Бум солнечной энергии в Китае, отказ от угля в пользу ветроэлектростанций –возобновляемые источники энергии продолжают развиваться несмотря на пандемию. не смогла остановить этот процесс. Recyclemag узнал, какие тренды ждут нас в 2021 году.

Бум солнечной энергии в Китае

Даже жесткий локдаун начала прошлого года не уменьшил спрос на солнечную энергию. В 2020 году количество установок для получения экологически чистой энергии увеличилось вдвое. В ближайшее время в стране ожидают рекордного роста этой отрасли — в сентябре председатель Китайской Народной Республики Си Цзиньпин объявил, что Китай полностью прекратит выбросы углерода к 2060 году. 

Испания будет развивать свой солнечный потенциал

В 2020 году электроэнергии от солнечных ферм в Испании выработали на 60% больше, чем в 2019. У южной страны самый большой солнечный потенциал во всей Европе. Пока Испания заметно проигрывает Германии, лидеру Евросоюза по использованию солнечных мощностей. По данным BloombergNEF, в жаркой стране установок для такой энергии в три раза меньше. Но, по прогнозам экспертов, в ближайшие два года сектор солнечной энергетики в Испании будет расти примерно вдвое быстрее, чем в Германии.

 Возобновляемая энергия обгоняет полученную с помощью сжигания топлива

Падение спроса на электроэнергию, случившееся во время локдауна, привело к тому, что доля возобновляемых источников энергии в энергосистеме Европы резко возросла. По информации экологической группы Ember, около 40% электроэнергии в первом полугодии 2020 года в Европейском союзе было произведено из возобновляемых источников. На электростанции, сжигающих ископаемое топливо, пришлось всего 34%.

 Великобритания заменяет уголь энергией от ветряных электростанций

Прошлый год стал самым «зеленым» для энергосистемы Великобритании со времен промышленной революции. В стране 67 дней обходились без угля. К 2025 году Британия планирует полностью отказаться от загрязняющего топлива, поскольку доля энергии, поступающей от ветряных электростанций, становится все больше. 

Коронавирус вызвал подъем строительства

Побочный эффект от пандемии – люди стали проводить дома больше времени, что вызвало пристальное внимание к жилью. Результат — развитие в отрасли строительства и производства строительных материалов. Люди, проводящие дома много времени и уделяющие своему жилью много внимания, позаботятся не только об интерьере и подключении стриминг-сервисах, но и о солнечных батареях. Ведь их установка это и возможность поддержать планету, и экономия на счетах за энергию. 

Внешний вид солнечных панелей имеет значения  

Солнечные панели начали рассматривать как «интеллектуальный строительный материал». Клиенты, устанавливающие их, думают уже не только о функциональности, но и об эстетике. Им хочется, чтобы панели не уступали по привлекательности другим элементам дома и двора. «Старая ржавая солнечная панель» больше не годится для покупателей. Так же, как и все новшества, солнечные элементы и панели быстро переходят из категории «необходимые вещи» к «обязательным, но при этом отлично выглядящим». 

Предпочтение отдается местному производителю

Ожидается, что в ближайшем будущем в Европе и США появится больше заводов по производству солнечных панелей, а доля импорта из Китая уменьшится. Пандемия обострила вопрос транспортировок. Стали очевиднее слабые места длинных цепочек поставок. 

Многие игроки отрасли теперь полагают, что местное производство солнечных элементов имеет больший смысл, чем закупки в дальних странах. Сегодня даже потребители всерьез задумываются об углеродном следе, спровоцированным транспортировкой солнечных панелей с другого конца света. Кроме того, внедрение роботов и цифровых технологией сделали местное производство более конкурентоспособным в ряде отраслей, и солнечная промышленность не исключение.

 США будет развивать ВИЭ

После смены президента новая администрация рассчитывает снова присоединиться к Парижскому климатическому соглашению. Вероятно, это ускорит развитие возобновляемых источников энергии в 2021 году. Пока речь идет об инвестировании двух триллионов долларов в развитие чистой энергии. Цель — полная декарбонизация электроэнергетического сектора к 2035 году.

Отрасль «зеленой» энергетики в США в основном сосредоточена в секторах солнечной и ветровой энергии. Среди ожидаемых поддерживающих мер федерального уровня – те, что помогут ускорить сроки дальнейшего внедрения новых технологий, включая передовые батареи и другие формы хранения, развитие экологически чистых водородных технологий. 

По материалам World Oil, EMSNow, Deloitte. 

Возобновляемая энергия — Департамент охраны окружающей среды, округ Монтгомери, Мэриленд,

Другие виды возобновляемых источников энергии

Технологии солнечной и ветровой энергии, как правило, доминируют в ландшафте возобновляемых источников энергии, но есть и другие источники энергии, которые набирают популярность, такие как геотермальная энергия и технологии топливных элементов.

Геотермальная энергия

Геотермальные ресурсы включают энергию (тепло или прохладу), сохраненную в неглубоких грунтах, воде и горных породах, находящихся под поверхностью Земли.Геотермальные системы улавливают и передают тепло или холод земли, чтобы дополнить отопление и охлаждение здания или дома.

 

При покупке установщика геотермальной системы всегда проверяйте наличие соответствующих лицензий, запрашивайте рекомендации и список детализированных затрат и получайте несколько предложений. Дополнительная квалификация, о которой следует узнать, включает аккредитацию Международной ассоциации геотермальных тепловых насосов (IGSHPA). Вы также можете обратиться к Центру экологически чистой энергии Мэриленда, Американской ассоциации подрядчиков по кондиционированию воздуха или к Geoexchange для подрядчиков из Мэриленда.

Узнайте больше о геотермальной энергии на веб-сайте Министерства энергетики или на веб-сайте Geoexchange.

Топливные элементы

Топливный элемент использует химическую энергию водорода, биотоплива или других источников топлива для чистого и эффективного производства электроэнергии. Топливные элементы работают с высокой эффективностью до 60% по сравнению с двигателями внутреннего сгорания и производят только тепло и воду при производстве электроэнергии.

Технология топливных элементов может использоваться в ряде практических приложений, включая резервные источники питания, транспортировку, погрузочно-разгрузочные работы и аварийное резервное питание.Топливные элементы не распространены в жилых помещениях из-за высокой стоимости, но могут быть практичными для коммерческого и промышленного использования.

Узнайте больше о топливных элементах на веб-сайте Управления технологий топливных элементов Министерства энергетики США или посетите веб-сайт Ассоциации топливных элементов и водородной энергетики (FCHEA) для получения дополнительной информации.

Чистая, возобновляемая энергия: ветер, солнечная энергия, гидроэнергия, биомасса

Ветер, солнечная энергия, гидроэнергия, биомасса

Мэн получает три четверти нашей электроэнергии из грязных источников энергии, таких как уголь, природный газ и другие виды ископаемого топлива, а также атомная энергия.

Повышение энергоэффективности и количества энергии, которую мы получаем из возобновляемых источников, является важной частью решения по снижению количества энергии, которую мы получаем от грязной энергии.

К счастью, штат Мэн имеет хорошие возможности для перехода от грязных источников, таких как уголь, к возобновляемым источникам энергии, таким как солнечная энергия и ветер. Это виды энергии, на которые могут положиться будущие поколения майнеров.

Замена ископаемого топлива источниками чистой энергии

Чистые возобновляемые источники энергии приносят нам более чистый и здоровый воздух и воду.Они также снижают зависимость штата Мэн от импорта энергии и способствуют развитию нашей экономики. Все источники энергии, в том числе возобновляемые, имеют компромиссы, но в течение десятилетий мы платили очень высокую цену за использование ископаемого топлива. Чистые источники энергии являются более выгодными, если их разрабатывать продуманно. Наши источники энергии, выращенные в штате Мэн, включают в себя: солнечную энергию, энергию ветра, гидроэнергетику и производство биомассы.

Подавляющее большинство электроэнергии, потребляемой в штате Мэн и в Соединенных Штатах, поступает из вредных, загрязняющих окружающую среду источников: угля, нефти и газа.Мы стали сильно зависеть от этих ископаемых видов топлива во многих их формах и видах использования. Хотя не существует единого решения, которое устранит вредное загрязнение воздуха и глобальное потепление от этих видов топлива, увеличение доли энергии, которую мы получаем из возобновляемых источников, является важной частью комплекса.

В отличие от ископаемых видов топлива, возобновляемые источники энергии могут использоваться устойчиво в долгосрочной перспективе и стабилизируют наши затраты на энергию. Чистые возобновляемые источники энергии помогают штату Мэн стать более независимым от энергии, улучшать качество воздуха и развивать нашу экономику — за счет новых рабочих мест в области экологически чистой энергии и сокращения суммы, которую мы отправляем из штата на ископаемое топливо.

Мэн использовал возобновляемые источники энергии, включая древесину (биомасса) и воду (гидроэнергия) на протяжении многих поколений. Все источники энергии, в том числе возобновляемые, имеют компромиссы. В конечном итоге их необходимо сравнить с альтернативой постоянного использования ископаемого топлива.

  • Источники энергии ветра и приливов следует размещать с осторожностью, иначе они могут иметь неприемлемые локальные воздействия.
  • Солнечная энергия может генерировать электричество и/или нагреть воду и обладает огромным потенциалом, особенно с учетом того, что технологии продвинулись вперед, а цены резко упали.
  • Сжигание дров в домах, на промышленных объектах или электростанциях приводит к некоторому загрязнению воздуха, значительному, если сжигание очень неэффективно. Кроме того, важно обеспечить устойчивую заготовку топливной древесины, оставляя после себя здоровые леса.

Производство электроэнергии из чистых возобновляемых источников расширяет наши возможности по замещению дорогостоящих загрязняющих окружающую среду нефти и бензина. Новые геотермальные и другие тепловые насосы могут эффективно обогревать дома и предприятия в штате Мэн, используя небольшое количество электроэнергии.Электрические и подключаемые гибридные автомобили , которые в противном случае зависели бы от нефти, также могут использовать чистое электричество. В целом, если все будет сделано правильно, штат Мэн может значительно увеличить долю чистой энергии, которую мы используем для производства электроэнергии и отопления.

Гонка за развитием технологий возобновляемой энергии | Новости Массачусетского технологического института

В начале 20-го века, когда электрические сети начали менять повседневную жизнь, маловероятный сторонник возобновляемых источников энергии выразил свою озабоченность по поводу сжигания ископаемого топлива.Томас Эдисон выразил тревогу по поводу использования горения вместо возобновляемых ресурсов в интервью 1910 года для антологии Элберта Хаббарда «Маленькие путешествия к домам великих».

«Мне противно думать об этой схеме сжигания для получения энергии — это так расточительно», — сказал Эдисон. «Видите ли, мы должны использовать силы природы и, таким образом, получить всю нашу силу. Солнечный свет — это форма энергии, а ветры и приливы — проявления энергии. Используем ли мы их? О, нет! Мы сжигаем дрова и уголь, как арендаторы сжигают передний забор для топлива.”

Спустя столетие примерно 80 процентов мирового потребления энергии по-прежнему приходится на сжигание ископаемого топлива. По мере того, как воздействие изменения климата на окружающую среду становится все более резким, у исследователей и инженеров возникает все более острая необходимость в разработке масштабируемых решений в области возобновляемых источников энергии.

«Еще 100 лет назад Эдисон понял, что мы не можем заменить горение какой-либо одной альтернативой», — добавляет Решма Рао, доктор философии 1919 года, постдоктор из лаборатории электрохимической энергии Массачусетского технологического института, которая включила цитату Эдисона в свою докторскую диссертацию.«Мы должны искать разные решения, которые могут различаться во времени и географически в зависимости от доступности ресурсов».

Рао — один из многих исследователей факультета машиностроения Массачусетского технологического института, которые вступили в гонку за разработку технологий преобразования и хранения энергии из возобновляемых источников, таких как ветер, волны, солнце и тепло.

Использование энергии волн

Что касается возобновляемых источников энергии, волны превосходят другие ресурсы по двум параметрам.Во-первых, в отличие от солнца, волны предлагают постоянный источник энергии независимо от времени суток. Во-вторых, волны обеспечивают гораздо большую плотность энергии, чем ветер, из-за большей массы воды.

Несмотря на эти преимущества, сбор энергии волн все еще находится в зачаточном состоянии. В отличие от ветра и солнца, в области гидродинамики волн нет единого мнения о том, как эффективно улавливать и преобразовывать энергию волн. Дик К.П. Юэ, профессор инженерных наук Филипа Дж. Солондза, надеется это изменить.

«Моя группа искала новые парадигмы, — объясняет Юэ.«Вместо того, чтобы возиться с небольшими улучшениями, мы хотим разработать новый способ мышления о проблеме волновой энергии».

Одним из аспектов этой парадигмы является определение оптимальной геометрии преобразователей волновой энергии (ПВЭ). Аспирант Эмма Эдвардс разработала систематическую методологию для определения того, какой формы должны быть WEC.

«Если мы сможем оптимизировать форму WEC для максимизации извлекаемой мощности, энергия волн может значительно приблизиться к тому, чтобы стать экономически жизнеспособным источником возобновляемой энергии», — говорит Эдвардс.

Другим аспектом парадигмы волновой энергии, над которой работает команда Юэ, является поиск оптимальной конфигурации для WEC в воде. Гргур Токич, доктор философии ’16, выпускник Массачусетского технологического института и нынешний постдоктор, работающий в группе Юэ, обосновывает оптимальные конфигурации WEC в больших массивах, а не в качестве автономных устройств.

Перед помещением в воду WEC настраиваются для конкретной среды. Эта настройка включает в себя такие соображения, как прогнозируемая частота волн и преобладающее направление ветра.По словам Токича и Юэ, если WEC сконфигурированы в виде массива, эта настройка может происходить в режиме реального времени, максимально увеличивая потенциал сбора энергии.

В массиве «сторожевые» WEC могут собирать данные о волнах, такие как амплитуда, частота и направление. Используя реконструкцию и прогнозирование волн, эти WEC могут затем передавать информацию об условиях другим WEC в массиве по беспроводной сети, что позволяет им ежеминутно настраиваться в ответ на текущие волновые условия.

«Если массив WEC может настроиться достаточно быстро, чтобы они были оптимально настроены для своей текущей среды, теперь мы говорим о серьезном бизнесе», — объясняет Юэ.«Переход к массивам открывает возможности для значительного прогресса и многократных преимуществ по сравнению с невзаимодействующими изолированными устройствами».

Изучая оптимальный размер и конфигурацию WEC с использованием теоретических и вычислительных методов, группа Юэ надеется разработать принципиально новые подходы к использованию силы волн.

Ускорение открытия фотогальваники

Количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, открывает заманчивые перспективы в поисках возобновляемых источников энергии.Каждый час от Солнца на Землю поступает примерно 430 квинтиллионов джоулей энергии. Это эквивалентно годовому глобальному потреблению энергии людьми.

Тонио Буонассизи, профессор машиностроения, посвятил всю свою карьеру разработке технологий, которые используют эту энергию и преобразуют ее в полезную электроэнергию. Но время, по его словам, имеет решающее значение. «Если задуматься о том, с чем мы сталкиваемся в плане изменения климата, становится все более очевидным, что у нас мало времени», — говорит он.

Чтобы солнечная энергия оказала значимое влияние, по словам Буонассизи, исследователям необходимо разработать материалы для солнечных элементов, которые будут эффективными, масштабируемыми, рентабельными и надежными. Эти четыре параметра представляют собой проблему для инженеров — вместо того, чтобы разрабатывать материал, который удовлетворяет только одному из этих факторов, им необходимо создать материал, который соответствует всем четырем параметрам и может быть выведен на рынок как можно быстрее. «Если нам потребуется 75 лет, чтобы вывести на рынок солнечную батарею, которая выполняет все эти функции, это не поможет нам решить эту проблему.Нам нужно вывести его на рынок в ближайшие пять лет», — добавляет Буонассизи.

Чтобы ускорить открытие и тестирование новых материалов, команда Буонассизи разработала процесс, в котором используется сочетание машинного обучения и высокопроизводительных экспериментов — тип экспериментов, который позволяет одновременно проверять большое количество материалов. В результате скорость обнаружения и анализа новых материалов для солнечных элементов увеличилась в 10 раз.

«Машинное обучение — это наш инструмент навигации», — объясняет Буонассизи.«Это может устранить узкое место в цикле обучения, чтобы мы могли перебрать материальных кандидатов и найти тот, который удовлетворяет всем четырем переменным».

Шицзин Сун, научный сотрудник группы Буонассизи, использовал комбинацию машинного обучения и высокопроизводительных экспериментов для быстрой оценки и тестирования перовскитных солнечных элементов.

«Мы используем машинное обучение, чтобы ускорить поиск материалов, и разработали алгоритм, который направляет нас к следующей точке отбора проб и направляет наш следующий эксперимент», — говорит Сан.Раньше на классификацию набора материалов для солнечных элементов уходило от трех до пяти часов. Алгоритм машинного обучения может классифицировать материалы всего за пять минут.

Используя этот метод, Сан и Буонассизи изготовили 96 протестированных композиций. Из них два перовскитных материала являются многообещающими и будут испытаны в дальнейшем.

Используя машинное обучение в качестве инструмента обратного проектирования, исследовательская группа надеется оценить тысячи соединений, которые могут привести к разработке материала, который позволит широкомасштабно внедрить преобразование солнечной энергии.«Если в течение следующих пяти лет мы сможем разработать этот материал, используя набор разработанных нами инструментов повышения производительности, это поможет нам обеспечить наилучшее возможное будущее», — добавляет Буонассизи.

Новые материалы для улавливания тепла

В то время как команда Буонассизи сосредоточена на разработке решений, которые напрямую преобразуют солнечную энергию в электричество, исследователи, в том числе Ганг Чен, профессор энергетики Карла Ричарда Содерберга, работают над технологиями, которые преобразуют солнечный свет в тепло.Затем тепловая энергия тепла используется для производства электроэнергии.

«Последние 20 лет я работал над материалами, преобразующими тепло в электричество, — говорит Чен. В то время как большая часть этих исследований материалов находится в наномасштабе, Чен и его команда в NanoEngineering Group не привыкли к крупномасштабным экспериментальным системам. Ранее они построили масштабную систему приемника, которая использовала концентрацию солнечной тепловой энергии (CSP).

В CSP солнечный свет используется для нагрева теплоносителя, такого как масло или расплавленная соль.Затем эта жидкость либо используется для выработки электроэнергии путем запуска двигателя, такого как паровая турбина, либо сохраняется для последующего использования.

В ходе четырехлетнего проекта, финансируемого Министерством энергетики США, команда Чена построила приемник CSP в Исследовательско-инженерном центре Бейтса Массачусетского технологического института в Миддлтоне, штат Массачусетс. Они разработали приемник солнечного теплового аэрогеля по прозвищу STAR.

В системе использовались зеркала, известные как отражатели Френеля, направляющие солнечный свет на трубы, содержащие теплоноситель.Как правило, чтобы жидкость эффективно улавливала тепло, выделяемое этим отраженным солнечным светом, ее необходимо поместить в дорогостоящую вакуумную трубку. Однако в STAR команда Чена использовала прозрачный аэрогель, который может улавливать тепло при невероятно высоких температурах, что устраняет необходимость в дорогих вакуумных корпусах. Пропуская более 95 процентов падающего солнечного света, аэрогель сохраняет свои изолирующие свойства, предотвращая утечку тепла из приемника.

Помимо большей эффективности, чем традиционные вакуумные приемники, аэрогелевые приемники позволили использовать новые конфигурации солнечных отражателей CSP.Отражающие зеркала были более плоскими и компактными, чем обычно используемые параболические приемники, что привело к экономии материала.

«Стоимость — это все, что касается энергетических приложений, поэтому тот факт, что STAR был дешевле, чем большинство приемников тепловой энергии, в дополнение к тому, что он был более эффективным, был важен», — добавляет Светлана Борискина, научный сотрудник, работающий в команде Чена.

После завершения проекта в 2018 году команда Чена продолжила изучение применения солнечной энергии для материала аэрогеля, используемого в STAR.Недавно он использовал аэрогель в устройстве, содержащем теплопоглощающий материал. При размещении на крыше кампуса Массачусетского технологического института теплопоглощающий материал, покрытый слоем аэрогеля, достиг удивительно высокой температуры в 220 градусов по Цельсию. Для сравнения, температура наружного воздуха была 0 градусов по Цельсию. В отличие от STAR, эта новая система не требует использования отражателей Френеля для направления солнечного света на теплоизоляционный материал.

«Наша последняя работа с использованием аэрогеля позволяет концентрировать солнечный свет без фокусировки оптики для использования тепловой энергии», — объясняет Чен.«Если вы не используете фокусирующую оптику, вы можете разработать систему, которая будет проще в использовании и дешевле, чем традиционные приемники».

Аэрогелевое устройство потенциально может быть преобразовано в систему, которая питает системы отопления и охлаждения в домах.

Решение проблемы хранения

Хотя приемники CSP, такие как STAR, предлагают некоторые возможности накопления энергии, существует стремление разработать более надежные системы накопления энергии для возобновляемых технологий. Хранение энергии для последующего использования, когда ресурсы не обеспечивают постоянный поток энергии — например, когда солнце закрыто облаками или ветра практически нет — будет иметь решающее значение для внедрения возобновляемых источников энергии в сети. .Чтобы решить эту проблему, исследователи разрабатывают новые технологии хранения.

Асегун Генри, Роберт Н. Нойс Профессор развития карьеры, который, как и Чен, разработал технологии CSP, создал новую систему хранения, которую назвали «солнце в коробке». Используя два резервуара, избыточную энергию можно хранить в раскаленном добела расплавленном кремнии. Когда эта избыточная энергия необходима, можно привести в действие установленные фотогальванические элементы, чтобы преобразовать раскаленный добела свет от кремния обратно в электричество.

«Это настоящая батарея, которая может работать с любым типом преобразования энергии», — добавляет Генри.

Бетар Галлант, профессор карьерного роста ABS, тем временем изучает способы повышения плотности энергии современных электрохимических батарей путем разработки новых материалов для хранения, которые являются более экономичными и универсальными для хранения экологически чистой энергии. Вместо того, чтобы разрабатывать эти материалы с использованием металлов, которые добываются в ходе энергоемкой добычи полезных ископаемых, она стремится создавать батареи, используя более богатые землей материалы.

«В идеале мы хотим создать батарею, которая может работать с нерегулярными поставками солнечной или ветровой энергии с пиками в разное время без ухудшения характеристик, как это происходит с современными батареями», — объясняет Галлант.

Помимо работы над литий-ионными батареями, такие как Gallant, Yang Shao-Horn, W.M. Кек, профессор энергетики, и постдокторант Решма Рао разрабатывают технологии, которые могут напрямую преобразовывать возобновляемую энергию в топливо.

«Если мы хотим хранить энергию в масштабе, выходящем за рамки ионно-литиевых батарей, нам нужно использовать ресурсы, которых в изобилии», — объясняет Рао.В своей электрохимической технологии Рао и Шао-Хорн используют один из самых распространенных ресурсов — жидкую воду.

С помощью активного катализатора и электродов вода расщепляется на водород и кислород в ходе ряда химических реакций. Водород становится энергоносителем и может храниться для последующего использования в топливном элементе. Чтобы преобразовать энергию, запасенную в водороде, обратно в электричество, реакции обратятся. Единственным побочным продуктом этой реакции является вода.

«Если мы сможем устойчиво получать и хранить водород, мы сможем электрифицировать нашу экономику, используя возобновляемые источники энергии, такие как ветер, волны или солнце», — говорит Рао.

Рао разложил все фундаментальные реакции, происходящие в этом процессе. Помимо сосредоточения внимания на границе раздела электрод-электролит, она разрабатывает катализаторы нового поколения для управления этими реакциями.

«Эта работа находится на переднем крае фундаментального понимания активных участков, катализирующих расщепление воды для получения водородного топлива от солнца и ветра для обезуглероживания транспорта и промышленности», — добавляет Шао-Хорн.

Обеспечение устойчивого будущего

Хотя переход от сети, работающей преимущественно на ископаемом топливе, к сети, работающей на возобновляемой энергии, кажется геркулесовой задачей, в последнее десятилетие произошли многообещающие разработки.В отчете, опубликованном перед Глобальным саммитом ООН по климату в сентябре, показано, что благодаря инвестициям в размере 2,6 трлн долларов США с 2010 года объем преобразования возобновляемой энергии увеличился в четыре раза.

Программа ООН по окружающей среде подчеркнула взаимосвязь между инвестициями в возобновляемые источники энергии и обеспечением устойчивого будущего для человечества. «Очевидно, что нам нужно быстро ускорить глобальный переход на возобновляемые источники энергии, если мы хотим достичь международных целей в области климата и развития», — сказал Андерсен.

Ни одна технология преобразования или хранения не будет отвечать за переход от ископаемых видов топлива к возобновляемым источникам энергии. Это потребует множества дополнительных решений от исследователей как здесь, в Массачусетском технологическом институте, так и по всему миру.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.